基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.04

上海交通大学学报 ›› 2023, Vol. 57 ›› Issue (S1): 178-184.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.04

基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析

姚汝林¹^,², 樊奇东², 余龙¹^,²(), 汪学锋¹^,²

1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240
2.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240

收稿日期:2022-07-07 修回日期:2022-07-25 接受日期:2022-08-22 出版日期:2023-10-28 发布日期:2023-11-10
通讯作者: 余龙 E-mail:yulone@sjtu.edu.cn.
作者简介:姚汝林(1975-),博士生,主要从事船舶与海洋工程先进制造研究.

Numerical and Testing Analysis of Fin Stabilizers of A Medium Sized Cruise Ship with Overset Grids

YAO Rulin¹^,², FAN Qidong², YU Long¹^,²(), WANG Xuefeng¹^,²

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received:2022-07-07 Revised:2022-07-25 Accepted:2022-08-22 Online:2023-10-28 Published:2023-11-10
Contact: YU Long E-mail:yulone@sjtu.edu.cn.

摘要/Abstract

摘要：

减摇鳍是解决船舶横摇的有效办法之一,可提升邮轮的舒适性.该装置一般由一对或两对可伸缩的鳍组成,对称地安装在船舶的两侧舭部,通过控制算法依靠鳍的水动力升力提供运动阻尼.然而,不同航速和不同攻角下减摇鳍与船舶的耦合分析还较少,尤其是船体流场对鳍阻力的影响尚缺乏研究.利用模型试验和数值分析方法研究某邮轮的阻力性能和鳍的运动影响,比较数值和模型试验结果,对减摇鳍引起的阻力和船鳍耦合运动进行研究,为减摇鳍的设计和选择、邮轮设计和性能预报提供了参考.

关键词: 减摇鳍, 模型试验, 邮轮, 不同攻角, 不同航速

Abstract:

Fin stabilizers represent an effective solution to address the roll motion of ships and improve the comfort of passengers on cruise ships. These devices typically comprise of one or two pairs of retractable fins, symmetrically mounted on either side of the ship, which utilize hydrodynamic lift to dampen motion through a control algorithm. However, coupling analysis of fin stabilizers and ships at various speeds and angles of attack remains limited, particularly with regard to the impact of the hull flow field on fin resistance. This paper investigates the drag performance and towing motion of a cruise ship using model tests and numerical analysis methods, and compares the results of the numerical and model tests. It also examines the drag resulting from fin stabilizers and the coupling motion of the ship, offering insight for the design and selection of fin stabilizers, cruise ship design, and performance prediction.

Key words: fin stabilizer, model test, resistance, cruise ship, different fin angles, different ship speed

中图分类号:

U661

姚汝林, 樊奇东, 余龙, 汪学锋. 基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 178-184.

YAO Rulin, FAN Qidong, YU Long, WANG Xuefeng. Numerical and Testing Analysis of Fin Stabilizers of A Medium Sized Cruise Ship with Overset Grids[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(S1): 178-184.

图/表 15

图1

表1

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参考文献 14

[1]	LIANG L H, ZHAO P, ZHANG S T, et al. Simulation and analysis of Magnus rotating roll stabilizer at low speed[J]. Ocean Engineering, 2017, 142: 491-500. doi: 10.1016/j.oceaneng.2017.07.012 URL
[2]	GAILLARDE G. Dynamic behaviour and operational limits of stabilizer fins[C]\\10th Congress of International Maritime Association of the Mediterranean. Creta, Greece. 2002.
[3]	RAM B R R, SURENDRAN S, LEE S K. Computer and experimental simulations on the fin effect on ship resistance[J]. Ships & Offshore Structures, 2015, 10(2): 122-131.
[4]	PEREZ T, BLANKE M. Ship roll damping control[J]. Annual Reviews in Control, 2012, 36(1): 129-147. doi: 10.1016/j.arcontrol.2012.03.010 URL
[5]	KUSDIANA W, SEMIN, MADE ARIANA I, et al. Location analysis of patrol boat fin stabilizer based on numerical method[J]. IOP Conference Series: Earth & Environmental Science, 2022, 972(1): 012002.
[6]	KIM J H, KIM Y H. Motion control of a cruise ship by using active stabilizing fins[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2011, 225(4): 311-324. doi: 10.1177/1475090211421268 URL
[7]	吴乘胜, 陈雄, 孙立宪, 等. 静水中自由船模拖曳CFD模拟方法研究[J]. 船舶力学, 2010, 14(8): 823-833.
	WU Chengsheng, CHEN Xiong, SUN Lixian, et al. Numerical simulation of free ship model towed in still water[J]. Journal of Ship Mechanics, 2010, 14(8): 823-833
[8]	LEE S, RHEE K P, CHOI J W. Design of the roll stabilization controller, using fin stabilizers and pod propellers[J]. Applied Ocean Research, 2011, 33(4): 229-239. doi: 10.1016/j.apor.2011.07.005 URL
[9]	曹阳, 朱仁传, 蒋银, 等. 波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2017, 38(12): 1828-1835.
	CAO Yang, ZHU Renchuan, JIANG Yin, et al. CFD verification and analysis of added resistance and motions of KVLCC2 in head waves[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(12): 1828-1835.
[10]	VERSTEEG H K, MALALASEKERA W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method[M]. 2nd ed. Harlow, England ; New York, USA: Person Education Ltd., 2007.
[11]	MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1598-1605. doi: 10.2514/3.12149 URL
[12]	王慧, 朱仁传, 杨云涛. 基于RANS方程的高速滑行艇阻力计算[C]\\第三十届全国水动力学研讨会暨第十五届全国水动力学学术会议, 北京: 海洋出版社, 2019: 210-215.
	WANG Hui, ZHURenchuan,YANG Yuntao. The resistance calculation of the high-speed planing based on RANS equations[C]\\The 30th National Symposium on Hydrodynamics & 15th National Conference on Hydrodynamics, Beijing, China: China Ocean Press, 2019, 210-215.
[13]	王建华. 基于重叠网格技术的船舶操纵运动直接数值模拟[D]. 上海: 上海交通大学, 2018.
	WANG Jianhua. Direct simulations of ship maneuver using overset grid technique[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2018.
[14]	YAO R L, YU L, FAN Q D, et al. Experimental and numerical resistance analysis for a cruise ship W/O fin stabilizers[J]. Journal of Marine Science & Engineering, 2022, 10(8): 1054.

参数	数值
垂线间长,L_PP/m	3.725
型宽,B/m	0.564
吃水,T/m	0.117
排水量,Δ/t	0.174
湿表面积,S_w/m²	2.362
重心,L_CG/m	1.611
重心,K_G/m	0.287
鳍切片翼型	NACA0021
鳍弦长,C/m	0.06
长宽比	2.05
鳍长,L_F/m	0.124

工况编号	航速/ kn	弗劳德数 (Fr)	模型速度/ (m·s^-1)	鳍攻角/(°)
工况编号	航速/ kn	弗劳德数 (Fr)	模型速度/ (m·s^-1)	0	20
1	5	0.057	0.3468	①	⑤
2	14	0.159	0.9711	②	⑥
3	18	0.204	1.2485	③	⑦
4	22	0.249	1.5260	④	⑧

	减摇鳍攻角/(°)	阻力/N
模型试验	0	7.775
模型试验	20	9.965
DFBI模拟	0	7.926
DFBI模拟	20	10.11
重叠网格模拟	0	7.789
重叠网格模拟	20	10.066

Fr	Re	减摇鳍阻力/N
Fr	Re	试验获得值	CFD计算值	不考虑船体计算值
0.159	1.19×10⁵	1.834	1.749	2.598
0.204	1.53×10⁵	2.7596	2.7617	3.946
0.249	1.87×10⁵	4.0437	4.0648	6.098

类型	升沉/cm	横摇/(°)	减摇鳍攻角/(°)
模型试验	-0.2574	-0.0167	0
重叠网格	-0.2835	-0.0170	0

基于重叠网格方法的中型邮轮减摇鳍数值和试验分析

Numerical and Testing Analysis of Fin Stabilizers of A Medium Sized Cruise Ship with Overset Grids

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[1]	毕建巍, 苏雷, 解立波, 张昱, 凌贤长. 波浪作用下液化场地高桩码头动力响应试验研究[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(11): 1442-1454.
[2]	宋深科, 夏立, 邹早建, 邹璐. 大型邮轮与集装箱船水动力相互作用数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(7): 919-928.
[3]	刘谨豪, 严远忠, 张琪, 卞荣, 贺雷, 叶冠林. 地面堆载对既有隧道影响离心试验和数值分析[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(7): 886-896.
[4]	张晨雅, 寇雨丰, 吕海宁, 肖龙飞, 刘明月. 经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(5): 497-504.
[5]	张帆, 杨德庆, 邱伟强. 基于形貌优化技术的邮轮轻型防火围壁设计[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(10): 1175-1187.
[6]	阳杰, 何炎平, 孟龙, 赵永生, 吴浩宇. 极限海况下6 MW单柱型浮式风力机耦合动力响应[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(1): 21-31.
[7]	赵东亚，胡志强，陈刚. 浮式液化天然气系统液体装载船体的耦合响应[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(5): 540-548.
[8]	杨羿帆, 李欣, 武博, 李健行, 盛楠. 不同形状长月池对钻井船阻力影响研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2019, 6(1): 470-477.
[9]	刘建成, 郭英豪, 肖龙飞, 滕晓青, 王金光, 徐立新, 陆海东. 半潜式钻井平台波浪砰击载荷试验研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2018, 5(增刊): 234-237.
[10]	张亚国1，李镜培2. 静压沉桩引起的土体应力与孔压分布特征[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2018, 52(12): 1587-1593.
[11]	谷家扬，谢玉林，陶延武，黄祥宏，吴介. 新型浮式钻井生产储油平台涡激运动数值模拟及试验研究 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(7): 878-885.
[12]	赵大刚1，郭春雨1，苏玉民1，豆鹏飞2，景涛1，张海鹏1. L型吊舱推进器直航及操舵工况水动力性能试验研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(7): 812-818.
[13]	韩旭亮, 谢彬, 王世圣, 喻西崇, 李焱. 海上多浮体作业系统运动响应数值模拟及模型试验[J]. 海洋工程装备与技术, 2017, 4(5): 287-292.
[14]	焦甲龙, 任慧龙, 于海成. 船舶在斜浪规则波中的载荷响应分析[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(03): 407-412.
[15]	汤华，熊晓荣，吴振君，袁从华，邓琴. 隧道锚抗拔作用机理的室内模型试验[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2015, 49(07): 935-939.